朱洪軍

【摘 要】臺(tái)階法是軟弱圍巖隧道工程的常用施工方法，其特點(diǎn)是隧道拱腳變形較為顯著，需要做好拱腳穩(wěn)定性控制。本文將對(duì)軟弱圍巖隧道臺(tái)階法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，分析隧道拱腳變形特征，在此基礎(chǔ)上，探討有效的拱腳穩(wěn)定性施工控制技術(shù)，包括拱腳沉降機(jī)制分析、穩(wěn)定極限狀態(tài)計(jì)算、穩(wěn)定性控制方法以及技術(shù)應(yīng)用效果分析等。

【關(guān)鍵字】軟弱圍巖；隧道臺(tái)階法；拱腳穩(wěn)定性；施工控制技術(shù)

軟弱圍巖隧道工程由于圍巖強(qiáng)度低、孔隙大、風(fēng)化影響顯著，在一定應(yīng)力水平下容易出現(xiàn)施工變形。目前在軟弱圍巖隧道工程中，使用較多的施工技術(shù)包括全斷面法、分部施工法、臺(tái)階法等。其中臺(tái)階法應(yīng)用最多，關(guān)于臺(tái)階法施工變形及拱腳穩(wěn)定性控制問題的研究也受到了廣泛關(guān)注。但是在實(shí)際工程中，拱腳沉降問題卻沒有引起足夠的重視，有必要結(jié)合工程案例進(jìn)行具體研究，探討可行的拱腳穩(wěn)定性控制技術(shù)。

一、軟弱圍巖隧道臺(tái)階法概述

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，大型隧道工程越來越多，包括公路工程和鐵路工程等。在一些特殊地質(zhì)區(qū)域，隧道工程面臨著軟弱圍巖變形控制的難點(diǎn)問題。從國內(nèi)目前隧道工程施工技術(shù)的整體水平來看，臺(tái)階法是較為先進(jìn)的施工方法，在實(shí)際工程中應(yīng)用最多，廣泛適用于交通類暗挖隧道。但采用臺(tái)階法施工也面臨著拱腳變形嚴(yán)重的問題，會(huì)影響工程整體的穩(wěn)定性。

臺(tái)階法中的上臺(tái)階拱腳變形分為水平收斂變形和沉降變形兩種形式，在現(xiàn)有研究中關(guān)于上臺(tái)階收斂變形的研究較多，而沉降變形卻沒有引起足夠重視，因此在實(shí)際工程中拱腳沉降問題日益突出。目前關(guān)于臺(tái)階法施工的拱腳沉降研究主要采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等方法，缺乏理論支撐，影響了研究成果推廣。因此，有必要對(duì)隧道拱腳變形特征進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)例探討可行的控制方法，為工程實(shí)踐提供有效參考。

二、隧道拱腳變形特征分析

對(duì)隧道工程臺(tái)階法施工的拱腳變形特征進(jìn)行分析，一般采用FLAC3D大型分析軟件，為施工變形展布規(guī)律的數(shù)值分析提供支持。以某鐵路隧道工程為例，其圍巖條件包含IV、V、VI三個(gè)級(jí)別，參照現(xiàn)行鐵路隧道規(guī)范中的圍巖物理力學(xué)指標(biāo)，確定各級(jí)別圍巖的密度、彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角。隧道橫斷面和支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)以200km/h客貨共線隧道的斷面標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)，同時(shí)考慮單線和雙線兩種斷面形式。其主要參數(shù)包括斷面尺寸、混凝土強(qiáng)度、厚度、錨桿長(zhǎng)度、間距和鋼架間距等。

采用三維彈塑性本構(gòu)模型計(jì)算分析臺(tái)階拱腳變形規(guī)律。從計(jì)算結(jié)果來看，拱腳變形隨臺(tái)階長(zhǎng)度的增加而增幅，且圍巖條件越差，變形幅度增長(zhǎng)越快。隨著上臺(tái)階長(zhǎng)度增加，拱腳沉降數(shù)值逐漸接近拱頂沉降。比如在單線隧道中，IV級(jí)圍巖的拱腳沉降約為拱頂沉降的30%，V級(jí)約為60%，VI級(jí)約為85%。從計(jì)算分析結(jié)果來看，IV級(jí)圍巖采用長(zhǎng)臺(tái)階施工法有利于施工組織，V級(jí)圍巖采用短臺(tái)階法、VI級(jí)圍巖采用微臺(tái)階法較好，有利于實(shí)現(xiàn)拱腳變形控制。

三、軟弱圍巖隧道臺(tái)階法施工拱腳穩(wěn)定性控制技術(shù)

（一）拱腳沉降機(jī)制分析

對(duì)拱腳沉降機(jī)制進(jìn)行分析是隧道工程臺(tái)階法施工實(shí)現(xiàn)拱腳穩(wěn)定性控制目標(biāo)的前提。其沉降機(jī)制包括以下幾個(gè)方面：

1.由掌子面基礎(chǔ)效應(yīng)導(dǎo)致的沉降，在臺(tái)階法施工中掌子面基礎(chǔ)變形較為顯著，會(huì)導(dǎo)致開挖面核心土上部出現(xiàn)整體沉降，對(duì)上半斷面的影響不容忽視；

2.基地承載剛度不足導(dǎo)致的拱腳沉降，在“隨挖隨支”施工原則下，上斷面的支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖壓力作用下會(huì)產(chǎn)生向下位移分量，隨著開挖施工進(jìn)行，圍巖壓力不斷增大，導(dǎo)致拱腳地基承載力不足，進(jìn)而引發(fā)沉降；

3.后續(xù)施工導(dǎo)致的沉降效果加劇現(xiàn)象，在進(jìn)行下臺(tái)階開挖時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)拱腳存在一定的懸空時(shí)段，拱部具有整體下沉趨勢(shì)，隨著施工進(jìn)行，支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載力不斷增加，導(dǎo)致沉降效果加劇，即使閉合成環(huán)后，此現(xiàn)象也會(huì)持續(xù)一段時(shí)間；

4.施工技術(shù)導(dǎo)致的沉降，在臺(tái)階法施工中，拱腳沉降主要受掌子面擠出效應(yīng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐條件、鎖腳錨桿施工、拱腳處積水排除、支護(hù)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量、閉合時(shí)機(jī)以及下臺(tái)階開挖等施工技術(shù)的影響，要針對(duì)每個(gè)施工環(huán)節(jié)的特點(diǎn)和引起施工沉降的機(jī)制，采取有效的技術(shù)控制措施。

（二）圍巖穩(wěn)定極限狀態(tài)計(jì)算

圍巖穩(wěn)定極限狀態(tài)計(jì)算是揭示隧道變形分布規(guī)律、實(shí)現(xiàn)拱腳變形控制的關(guān)鍵。在臺(tái)階法施工過程中，可借鑒邊坡工程的強(qiáng)度折減法分析思路，判別圍巖穩(wěn)定性，主要應(yīng)用塑性應(yīng)變突變?cè)碚归_分析。對(duì)于深埋軟弱圍巖的隧道工程，其穩(wěn)定性分析不用對(duì)圍巖強(qiáng)度進(jìn)行折減，施工過程以卸載為主，地應(yīng)力不斷釋放，洞體周圍的圍巖屈服度不斷發(fā)展，約束作用不斷減弱，發(fā)展到一定程度后，部分圍巖則進(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài)，由塑性應(yīng)變轉(zhuǎn)變成突變，進(jìn)而發(fā)生擠入和脫離現(xiàn)象。

圍巖穩(wěn)定極限狀態(tài)即為塑性應(yīng)變突變發(fā)生時(shí)的狀態(tài)，其發(fā)生區(qū)域?yàn)椴环€(wěn)定圍巖區(qū)域，通過對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，可以預(yù)測(cè)圍巖失穩(wěn)軌跡。在接近穩(wěn)定極限狀態(tài)時(shí)，塑性區(qū)范圍快速擴(kuò)大，基底圍巖隨臺(tái)階高度增加，逐漸向基底剪切失穩(wěn)狀態(tài)發(fā)展，拱腳處穩(wěn)定性較差。加強(qiáng)拱腳穩(wěn)定控制，可以保持洞室整體的穩(wěn)定性，有利于實(shí)現(xiàn)變形控制。在上臺(tái)階高度為4m時(shí)，水平收斂為60.7mm，拱頂沉降為68.8mm，上臺(tái)階高度為6m時(shí)，水平收斂為149.7mm，拱頂沉降為112.2mm。由此可見，上臺(tái)階高度增加，圍巖對(duì)現(xiàn)行承擔(dān)能力也會(huì)隨之增加，可以通過適當(dāng)增加上臺(tái)階高度提高圍巖穩(wěn)定性。

（三）拱腳穩(wěn)定性控制方法

受國內(nèi)隧道工程施工技術(shù)和設(shè)備條件所限，目前應(yīng)用較多的拱腳穩(wěn)定控制方法包括鎖腳錨桿法、圍巖補(bǔ)強(qiáng)注漿法、擴(kuò)大拱腳支護(hù)法和臨時(shí)增設(shè)仰拱法等。其中，鎖腳錨桿法和圍巖補(bǔ)強(qiáng)注漿法的控制效果較為顯著，已經(jīng)得到行業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可，技術(shù)應(yīng)用較為成熟。而另外兩種方法的控制效果還有待印證，因此本文主要對(duì)后兩種方法進(jìn)行分析。

其中，擴(kuò)大拱腳支護(hù)法在還有V級(jí)、VI級(jí)兩種圍巖的隧道工程中，應(yīng)用效果如下：（1）V級(jí)圍巖拱腳收斂減小效果達(dá)到10.4%，沉降減小效果達(dá)到73.1%；（2）VI級(jí)圍巖的拱腳收斂減小效果達(dá)到10.4%，沉降減小效果達(dá)到44.6%。對(duì)有無臨時(shí)仰拱的工況進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，采用臨時(shí)增設(shè)仰拱的控制方法，拱腳收斂減小效果為40.3%，墻腰收斂的減小效果為25.0%。從中可以看出，該方法對(duì)水平收斂的控制效果較好，對(duì)沉降控制效果則不夠顯著。

在蘭渝鐵路兩水隧道工程中，對(duì)某區(qū)段施工進(jìn)行大拱腳現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該區(qū)段的仰拱封閉與掌子面的距離在30m以內(nèi)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)大拱腳支護(hù)法對(duì)拱腳變形控制效果較為顯著，水平收斂減小效果為19%，拱頂沉降減小效果為53%。在實(shí)際工程中，應(yīng)在分析拱腳變形機(jī)制、計(jì)算圍巖穩(wěn)定極限狀態(tài)的基礎(chǔ)上，合理選擇拱腳變形控制方法，為施工安全和隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供保障。

四、結(jié)束語

綜上所述，拱腳變形是隧道工程臺(tái)階施工法中的重點(diǎn)問題，通過采取有效的拱腳穩(wěn)定性控制技術(shù)，可以施工安全和施工工序的順利進(jìn)行提供保障，避免出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、坍塌現(xiàn)象。在實(shí)際工程中，通過采用科學(xué)計(jì)算分析方法，掌握拱腳變形規(guī)律，合理選用拱腳穩(wěn)定性控制方法，可以確保拱腳變形控制效果，有效降低水平收斂和沉降幅度。

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